准噶尔盆地西北缘北东段下二叠统风城组白云质岩岩石学和岩石地球化学特征

2014-04-22朱世发朱筱敏刘英辉陈相亦王俊怀王小军马爱钰

地质论评 2014年5期

朱世发，朱筱敏，刘英辉，陈相亦，王俊怀，王小军，马爱钰

1) 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249； 2) 中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，102249； 3) 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依，834000

内容提要: 白云质岩类是准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区二叠系风城组最为重要的油气储层类型，已提交石油三级储量近亿吨。在前人研究基础上，本文采用岩石学和岩石地球化学相结合的分析手段，探讨这套特殊白云质岩的成因机制，为准噶尔盆地西北缘白云质岩致密油勘探、评价提供科学的地质依据。通过X衍射、阴极发光、扫描电镜观察及岩石薄片镜下鉴定认为，发生白云石化作用的母质为火山凝灰物质以及陆源的、细粒的凝灰岩碎屑。白云石普遍发育“雾心亮边”和“环带”等交代残余结构，非传统的沉积成因；从岩层厚度以及矿物组成等判断，不是热水成因。元素分析表明，随着白云石化成岩作用强度的增加以及外部流体的参与，岩石化学组分(包括主量元素如Fe、Mn和微量元素)或富集、或流失亏损，呈规律性变化。白云质岩中的Yb/Ca与Yb/La比值分布在岩浆成因的范围内。综合分析表明，研究区的白云质岩的交代原始物质为凝灰物质，堆积之后发生蚀变、方解石化，在镁离子参与下进而发生不均匀白云石化。

白云质岩类是准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区二叠系风城组最为重要的油气储层类型(冯有良等，2011)，包括白云质凝灰岩、白云质粉砂岩、凝灰质白云岩等多种过渡岩石类型。近年来，西北缘白云质岩致密油勘探持续获得重大突破，已提交石油三级储量近亿吨(匡立春等，2012)。自20世纪80年代初，风3、风5和风7等井在风城组三段获得工业油流以来，白云质岩类储层作为一种特殊的岩性油气藏勘探目标和致密储层中的勘探热点受到人们的极大重视(冯有良等，2011)。2009年，在风南1井区块风城组一段和三段含白云质和凝灰质粉砂岩储层中，提交石油控制储量3575×104t。该井的突破进一步推动了准噶尔盆地致密油的整体勘探，包括吉木萨尔凹陷(二叠系芦草沟组)、沙帐—石树沟凹陷(二叠系平地泉组)及博格达山前(芦草沟组)3个白云质岩致密油规模分布区(匡立春等，2012)。但在西北缘二叠系，白云质岩类储层的成因分析一直是地质学的难题；白云质岩类实际上是白云质、火山凝灰质、火山岩屑质砂岩和少量的泥质、钙质，在沉积和成岩作用的控制下，不同程度混合形成的多种岩石类型(孙玉善等，2011；朱世发等，2013)。

近年来，随着白云质岩致密油勘探持续获得重大突破，针对白云质岩的基础研究也日益增加，但不同学者均持不同观点。郭建钢等(2009)、冯有良等(2011)和殷建国等(2012)研究认为，风城组的白云质岩多为湖相中的碳酸盐岩灰泥在成岩期经后生白云石化作用形成。薛晶晶等(2012)通过岩芯及薄片观察，分析了不同白云质岩产状，推断白云质岩主要为沉积成因(准同生白云石化作用)，少量为混合水白云石化作用产物。匡立春等(2012)将风城组白云质岩定义为准同生白云石化形成的致密油储层，与湖相暗色泥岩混合沉积，油气勘探潜力巨大。鲁新川等(2012)研究了乌尔禾—风城地区白云质岩的地球化学特征，通过主/微量元素和碳氧同位素分析，探讨了白云石化流体的性质，认为白云质岩主要是形成于早成岩阶段陆相咸水湖泊中的蒸发白云岩。笔者等通过研究认为，白云质岩主要是埋藏后期成岩交代的结果，古水文条件并不是白云质岩形成的决定性因素，咸化的沉积水只是在浅埋藏时(早成岩阶段)溶解如火山玻璃等在碱性条件下的易溶物质，此时并不能达到析出白云石的热力学和动力学条件。蒋宜勤等(2012)通过岩石学分析认为，风城组白云质岩类非沉积成因，其形成与湖底热液喷流活动有关。事实上，研究区厚岩层(>100m)中的白云石普遍具有雾心亮边和环带等交代残余构造，明显为后期成岩交代产物(朱世发等，2013)；岩矿组成中缺少代表性的热水沉积矿物。不能排除占有少量比例的“热水沉积物”在后期埋藏过程中发生白云石化或者调整白云石化作用的可能，但即使如此，这种成因的白云质岩并不占主体地位。

在前人研究基础上，本文基于对20口井的岩芯和薄片观察、60块次样品的分析化验测试，采用岩石学和岩石地球化学相结合的分析手段，探讨这套特殊白云质岩的成因机制，为准噶尔盆地西北缘白云质岩致密油勘探、评价提供科学的地质依据。

1 地质概况

研究区位于准噶尔盆地西北缘的东北部，处于哈拉阿拉特山前，西起百口泉油田，东至红旗坝，南与艾里克湖毗连，包括风城、乌尔禾、红旗坝和夏子街地区(图1)，是一个受海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造叠加的断褶带(冯建伟等，2009)。南北宽约30 km，东西长约70 km，面积约2000km2。

在研究区内，不同构造期活动剧烈，逆冲断裂和断层相关褶皱发育，且褶皱形态复杂。主要发育夏红北断裂及百乌断裂等一系列北东向、北东东向断裂。西北缘地区在早二叠世初佳木河组时期为残留海环境(张义杰等，2007)，但范围较小，并且由于后期河流的注入而很快淡化。早二叠世末风城组时期，水体迅速扩大，受蒸发作用和火山物质蚀变影响水体盐度较高，形成陆缘湖泊的咸化湖湾沉积(图2)(朱世发等，2013)。在研究区西部的风城地区和乌尔禾地区，风城组岩性以含白云质及凝灰质岩石类型为主，靠近哈山方向有少量粉砂岩沉积，粉砂岩的岩石组分主要为细粒的凝灰岩碎屑，地层厚度为500～1400m；在研究区东部的夏子街地区，风城组以发育火山碎屑岩沉积建造为特征，岩性主要为酸性的沉凝灰岩、凝灰岩和熔结凝灰岩等，白云质岩类其次，熔岩不发育，地层厚度为270～470m(图2)。风城组火山机构是石炭纪和早二叠世佳木河组时期火山继承性活动的结果，风城组末期火山活动逐渐减弱直至停止(Zhu Shifa et al., 2012)。

2 样品分析与测试

本次研究共采集了20口井的60块样品，其中凝灰岩样品7个，方解石化凝灰岩样品10个，白云质岩样品43个。25块样品的X衍射全岩分析和13块样品的主量/微量元素分析是在中国地质大学(北京)地学实验中心完成(表1、表3和表4)；35块样品的岩石薄片制作及观察、阴极发光显微分析和扫描电镜能谱分析(表2)是在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。

3 白云质岩类岩石学和岩石地球化学特征

原岩类型是控制白云质岩白云石化作用机理和基质孔隙发育程度的主要因素。研究区风城组白云质岩类的岩性鉴定一直备受争议，讨论点在于原岩的类型(鲜继渝，1985；周中毅等，1989)。部分学者将白云质岩类划分为泥质白云岩、白云质泥岩和白云质粉砂岩等几种岩性(如郭建钢等，2009)。他们主要依据岩石白云石化程度和隐晶细粒(<10μm)物质的多少来命名，同时将细粒物质镜下鉴定为泥质(尤兴弟，1986；刘文彬，1989)。

本文通过X衍射、阴极发光、扫描电镜观察及岩石薄片镜下鉴定认为，发生白云石化作用的母质为火山凝灰物质以及陆源的、细粒的凝灰物质碎屑。

3.1 X衍射分析

基于9口井25块样品的X衍射全岩分析结果表明，白云质岩的平均岩矿组成为：约20%的石英、约10%的钾长石、约20%的斜长石、不到5%的方解石、25%～40%的白云石、不到8%的粘土矿物以及其他矿物成分(表1)。

隐晶质的石英、斜长石和钾长石总含量超过了50%，而粘土矿物含量很低，因此不能将研究区这些细粒物质仅依据粒级、颜色等简单地定为泥岩，应该结合矿物成分分析确定，本区确定为脱玻化的(火山尘)凝灰岩或沉凝灰岩。

3.2 阴极发光显微分析

图1 准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区位置及下二叠统风城组顶面深度图Fig. 1 Location of the Wuerhe—Xiazijie area, Junggar Basin, and depth contour of the top surface of the Lower Permian Fengcheng Formation

图2 准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组混积地层发育特征Fig. 2 Development mode of mixed rocks of the Lower Permian Fengcheng Formation in Wuerhe—Xiazijie Area, Junggar Basin

阴极发光照片显示，脱玻化的凝灰质发光杂，硅质不发光；后生白云石发红光，呈星散状分布在长英质火山玻璃基质中(图3a和b)。长石斑晶呈现蓝色，长石碳酸盐化后发红光(图3c和d)。由此，火山凝灰物质中长石的蚀变即碳酸盐化具有直观的岩石学证据。

3.3 扫描电镜及能谱分析

研究区风城组白云质岩中白云石普遍具有“雾心亮边”和“环带”等交代残余特征(图4)。能谱分析表明，“雾心”和“亮边”的元素组成特征不同(表2)。如图3b，“雾心”的n(Mg)/n(Ca)为1.258，“亮边”的n(Mg)/n(Ca)为1.374，反映出“亮边”的镁离子含量高于“雾心”。交代白云石的边部较长时间与富镁流体接触反应，而且白云石化较为充分。

3.4 元素分析

通过对乌尔禾—夏子街地区风城组特殊白云质岩岩芯样品主量及微量元素分析发现，未蚀变凝灰岩(或沉凝灰岩，下同)、方解石化凝灰岩、基质白云岩以及交代团块白云岩的各元素含量呈现明显的规律性变化，表明随着白云石化成岩作用强度的增加以及外部流体的参与，岩石化学组分或富集、或流失亏损(表3)。

表1 准噶尔盆地乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组细粒沉积物X衍射全岩分析数据表Table 1 The data of bulk rock analysis by X-ray diffraction of the fine sediments in the Lower Permian Fengcheng Formation in Wuerhe—Xiazijie area, Junggar Basin

3.4.1 Mg、Ca及Mg/Ca

整体上，白云质岩Mg含量(平均值为40180×10-6)和Mg/Ca比(平均值为0.77)明显高于方解石化凝灰岩样品(平均值分别为22054×10-6和0.33)，说明富Mg流体的参与是形成白云岩的必要条件。在(方解石化)凝灰岩样品中，Ca含量较高，平均值为75265×10-6，明显高于白云质岩类样品的53060×10-6(表3)。Ca在凝灰岩中常常组成富钙斜长石。

图3 准噶尔盆地乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组长英质火山玻璃白云石化在阴极发光显微镜下特征Fig. 3 Dolomitization of the intermediate—mafic glasses of the Lower Permian Fengcheng Formation in Wuerhe—Xiazijie Area, Junggar Basin, under cathodoluminescence microscope (a)为正交偏光显微镜照片，(b)为(a)视域下阴极发光显微镜照片，(a)和(b)均来自风15井，3073m，凝灰岩；(c)为正交偏光显微镜照片，(d)为(c)视域下阴极发光显微镜照片，(c)和(d)均来自风城011井，3861.40m (a) is a picture of crossed polarizer, and (b) is a picture form cathodoluminescence microscope as same domain as (a). (a) and (b) come from Well Feng-15, 3073m, a sample of tuff. (c) is a picture of crossed polarizer, and (d) is a picture form cathodoluminescence microscope as same domain as (c). (c) and (d) come from Well Fengcheng-011, 3861.40m

图4 准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组白云石的交代特征Fig. 4 Characteristics of replacement of the dolomitic rocks of the Fengcheng Formation in Wuerhe—Xiazijie Area (a)和(b) 粗粉晶白云石,风南1井,4183.5m；(c) 污浊状白云石，晶形较好具环带,也是多期交代作用所致,风20井,3138.2m。 (a) and (b): Coarse silt-sized dolomite, Well Fengnan-1, 4183.5m; (c): “Dirty” dolomite with good crystal outline and replacement remnant, Well Feng-20, 3138.2m

3.4.2Fe和Mn

由凝灰岩、方解石化凝灰岩到白云质岩类，Fe的平均含量逐渐降低，分别为94300×10-6、45200×10-6和39550×10-6(表3)，这一变化与成岩作用强度有关。Mn的含量具有相似的变化规律，在凝灰岩类样品和白云质岩类样品Mn平均含量分别为1150×10-6和486×10-6。

3.4.3Sr、Ba和Sr/Ba

随着白云石化作用的进行，Sr/Ba值有增加的趋势，凝灰岩类平均为1.63；白云质岩类为3.13，反映出有Sr/Ba更高的海相地层水的加入。但整体上Sr的含量小于1000×10-6的现代海水标准。

3.4.4 REE分析

本次研究对乌尔禾—夏子街地区不同岩类样品的稀土元素配分模式进行了分析。为了尽量避免岩石中粘土矿物、石英等富REE矿物对地球化学数据的影响，在微量元素的测试过程中，采用LA-ICP-MS 对白云石进行原位分析。分析数据(表4)经北美页岩NASC (North American shale composite)标准化。REE 配分模式(图5)显示：各类样品都具有重稀土相对富集、轻稀土相对亏损的配分特征，未蚀变凝灰岩、方解石化凝灰岩、基质白云岩和交代团块白云岩在整体上具有较一致的继承性关系；并且随着白云石化成岩作用的深入，REE 的含量呈递减的趋势(图5)，反映了贫REE的外源流体参与后生成岩作用逐渐增强的演化趋势。

表2准噶尔盆地西北缘北东段乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组埋藏交代白云石的扫描电镜能谱分析

Table2SEMEDSofmetasomaticdolomiteoftheLowerPermianFengchengFormationinWuerhe—XiazijieArea,JunggarBasin

“亮边”元素质量(%)物质的量(%)C12.3920.03O42.7051.81Mg20.4216.30Ca24.4911.86“雾心”C13.3221.58O39.5348.08Na01.7001.44Mg15.3312.27Al02.1501.55Si07.1404.95K00.7600.38Ca20.0709.75

ΣREE 反映被测样品对稀土元素的富集程度。本次测试数据显示，特殊白云质岩对REE 的富集程度较高，相比之下，未蚀变凝灰岩>方解石化凝灰岩>基质白云岩>交代团块白云岩。ΣLREE/ΣHREE 为轻、重稀土元素的比值，这一参数能较好地反映轻、重稀土元素的分异程度。测试数据显示，这一参数未蚀变凝灰岩<方解石化凝灰岩<基质白云岩<交代团块白云岩，随着成岩作用的深入，轻稀土相对富集，而重稀土相对而言发生亏损。

4 关于白云石成因的讨论

4.1 火山物质蚀变、后期白云石化

在含火山岩或火山碎屑岩的沉积盆地地层中，自生方解石、白云石等碳酸盐矿物常常作为中基性火山物质蚀变的产物出现(McKinleyet al.，2003)。Garrels和Mackenzie(1967)研究内华达山及美国其他地区的泉水认为，流经火山岩的泉水，其80%的化学组分受斜长石水解影响，具有富钠、贫钙、高pH的特征，伴生大量自生方解石沉淀。Lawrence等(1975)基于沉积物和火山物质的稳定同位素组成分析，研究了深海钻探(DSDP Leg35)取得岩芯在与海水地层水反应的地质背景下原始组分的蚀变、自生矿物的沉淀，指出海底(埋深小于30m)玄武岩及火山灰物质的低温蚀变(13～39℃)受海水的高盐度控制，形成大量自生方解石和白云石。Orajaka (1987)研究美国得克萨斯州TranS-PecoS油矿区Tas-cotal组的岩石特征发现，当少量玻璃质溶解时，方解石开始沉淀；当更多的玻璃质溶解时，方解石持续析出，直到溶液最终没有CO2时才停止。Voltaggio 等 (1997) 研究了意大利火山岛上断裂充填的方解石，认为现今破火山口上广泛分布的方解石岩脉的形成与火山物质中的富钙斜长石蚀变有关，确定了钙元素来自火山物质。Banks and Frengstad(2006)研究了挪威艾格松前寒武系火成岩地层水化学组分的早期演化特征，认为二氧化碳能够引起斜长石水解并在pH 为8.0～8.3范围析出方解石。伴随方解石沉淀的硅酸盐矿物水解是富含长石的成岩环境中一个非常重要的化学反应过程(Banks and Frengstad，2006)，其间产生富钠、贫钙和高pH的地层水不需大规模的外界离子供给、交换。

截止目前，大规模发育的、与蚀变火山物质相关的白云质岩尚未有报道。但火山玻璃脱玻化和富钙长石蚀变形成自生方解石已被关注。众所周知，自生方解石在富含镁离子的成岩环境，埋藏交代，可以形成大量的白云石。但需要特定的温度、压力等条件(Mattes and Mountjoy，1980)。值得注意的是，强烈方解石化的火山凝灰岩若要在埋藏成岩环境中形成分布广泛的白云质岩类(如在研究区面积近600km2，累积厚度20～300m)，则需要大量的镁离子供应，而且白云石化流体的大规模运移需要一定的驱动机制(Wilsonet al., 2001；朱世发等，2013)。前文已分析了白云质岩的岩矿组成，其中的白云石含量普遍小于50%；在镁离子供给充足的情况下，这种方解石化的凝灰岩将发生不均匀的白云石化作用，且交代强度较弱。研究区白云石化的原岩不仅包括火山作用形成的凝灰岩，还包括陆源的、细粒的凝灰物质碎屑组成的沉凝灰岩，两者可以形成巨厚(>100m)的岩层(图2)。热水沉积则不可能形成如此厚的研究区白云质岩沉积物，而且火山岩屑质的粉砂岩和砂岩中也发育白云石，用热水沉积观点则难以解释。缺少典型的热水沉积指相矿物，如硫酸盐矿物等。

表3 准噶尔盆地乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组未蚀变凝灰岩(Ash)、方解石化凝灰岩(Ca-Ash)、基质白云岩(MD)和交代团块白云岩(RD)主量元素测试数据Table 3 Results of the major element of the unaltered ash (Ash), the ash with calcilization (Ca-Ash), the matrix dolostone (MD) and the lumpy replacement dolostone (RD) of the Fengcheng Formation in Wuerhe—Xiazijie Area

注： δEu=EuN/Eu*= EuN/(0.5SmN+0.5GdN); δCe=CeN/Ce*= CeN/(0.5LaN+0.5PrN)。

图6 准噶尔盆地乌尔禾—夏子街地区下二叠统风城组白云质岩Yb/La与Yb/Ca交汇图Fig. 6 Cross plot of Yb/La—Yb/Ca of special dolomitic rocks of the Lower Permian Fengcheng Formation in the Wuerhe—Xiazijie area, Junggar Basin

4.2 进一步研究的注意问题

总结前人研究，在下一步工作中需要注意以下8方面问题：① 白云质岩产出不规则，普遍具有成岩交代现象，显然主体非沉积成因，而且非湖底热液成因，交代的原岩不是传统的灰岩。② 不能忽略与白云质混合的、已经脱玻化凝灰物质的影响。③ 需要系统讨论白云石化流体的来源，特别是与下伏佳木河组和石炭系海水地层水的联系、与风城组咸化湖泊沉积水的联系、与风城组火山喷发物水解、蚀变的联系。且前人关于镁离子来源的观点没有岩石地球化学的示踪分析。④ 需要从流体包裹体捕获和成岩角度来分析白云石形成的温度和盐度，确定白云石化发生的地质时间。⑤ 需要进一步分析特殊白云石化过程中的热力学和动力学机制。⑥ 需要明确白云石化流体运移的通道和驱动机制(如逆掩构造活动，火山热流等)。⑦ 建立研究区特殊地质背景下的白云石化模式，不排除具有多种成因的可能。⑧ 明确致密油储层发育的控制因素。